高效能小身材：MAX17570同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，如何在滿足性能要求的同時，盡可能地縮小電路體積、降低成本并提高效率，是一個持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)。而Analog Devices推出的MAX17570同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，無疑為解決這些問題提供了一個出色的方案。它適用于工廠自動化、汽車售后市場等多種場景，下面我們就來詳細了解一下這款轉(zhuǎn)換器的特點和優(yōu)勢。

文件下載：MAX17570.pdf

1. 產(chǎn)品亮點

1.1 精簡元件與成本

MAX17570在設(shè)計上大大減少了對外部元件的需求，從而降低了整體成本。它采用無肖特基同步操作，集成了補償和軟啟動功能，并且支持使用全陶瓷電容，能夠?qū)崿F(xiàn)超緊湊的布局。這對于那些對空間和成本敏感的設(shè)計來說，無疑是一個巨大的優(yōu)勢。

1.2 高靈活性的多軌支持

其輸入電壓范圍寬廣，從4.5V到60V，有固定的3.3V和5V輸出選項，并且輸出電壓可在0.9V至輸入電壓的97%之間進行調(diào)節(jié)，還能提供高達300mA的負載電流。此外，它的開關(guān)頻率在200kHz至1MHz之間可調(diào)，還支持外部時鐘同步，能夠靈活適應(yīng)各種不同的系統(tǒng)需求。

1.3 低功耗設(shè)計

MAX17570在降低功耗方面表現(xiàn)出色。當輸入電壓為15V，輸出電壓為12V，輸出電流為150mA時，其峰值效率可達95.8%。關(guān)機電流僅為2.2μA（典型值），同時還提供PFM選項，在輕載情況下也能保持高效率，有效減少了系統(tǒng)的發(fā)熱和功耗。

1.4 惡劣環(huán)境下的可靠運行

該轉(zhuǎn)換器具備多種保護功能，如打嗝模式限流和自動重試啟動、開漏電源良好輸出（RESET引腳）、可編程的使能/欠壓鎖定閾值、可實現(xiàn)預(yù)偏置輸出的單調(diào)啟動、過溫保護等。其工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C，并且符合CISPR32（EN55032）Class B傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標準，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運行。

2. 關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 工廠自動化

在工廠自動化應(yīng)用中，系統(tǒng)內(nèi)的散熱管理至關(guān)重要，過熱可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機。MAX17570由于采用了集成FET的全同步DC - DC設(shè)計，效率高、產(chǎn)生的熱量少，能夠有效滿足工廠自動化設(shè)備對散熱管理的要求。

2.2 汽車售后市場

在汽車售后市場的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中，設(shè)備通常需要盡可能小巧。MAX17570集成了FET和補償功能，甚至可以預(yù)編程輸出電壓，解決方案尺寸小、元件少，有助于降低整個系統(tǒng)的設(shè)計成本。

2.3 通用負載點

通用負載點適用于多種應(yīng)用和設(shè)計環(huán)境，對電源轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性要求極高。MAX17570具有 - 40°C至 + 125°C的寬工作范圍、電流限制保護、過溫保護以及符合CISPR - 32 class B發(fā)射標準等特性，能夠在惡劣環(huán)境下提供高效、可靠的電源轉(zhuǎn)換，讓設(shè)計師放心使用。

3. 電氣特性與參數(shù)

MAX17570的各項電氣特性參數(shù)明確，涵蓋了輸入電源、使能/欠壓鎖定、LDO、功率MOSFET、軟啟動、反饋、輸出電壓、電流限制、RT和同步、復(fù)位以及熱關(guān)斷等多個方面。例如，輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸入關(guān)機電流典型值為2.2μA；開關(guān)頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻進行編程，頻率范圍為200kHz至1MHz等。這些詳細的參數(shù)為工程師在設(shè)計電路時提供了準確的依據(jù)。

4. 典型工作特性

文檔中給出了大量關(guān)于MAX17570的典型工作特性曲線，包括效率與負載電流、輸出電壓與負載電流、輸出電壓紋波、啟動與關(guān)斷過程以及外部時鐘同步等方面。這些特性曲線直觀地展示了轉(zhuǎn)換器在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，有助于工程師更好地了解其工作特性，從而優(yōu)化電路設(shè)計。例如，從效率與負載電流的曲線中可以看出，在不同的輸入電壓和輸出電壓條件下，轉(zhuǎn)換器的效率隨負載電流的變化情況，工程師可以根據(jù)這些曲線選擇合適的工作點，以實現(xiàn)最高的效率。

5. 引腳配置與功能

MAX17570采用8引腳2mm x 2mm的TDFN封裝，各個引腳都有明確的功能。例如，VIN引腳是開關(guān)穩(wěn)壓器的電源輸入，需要連接一個X7R 1μF的陶瓷電容到地進行旁路；EN/UVLO引腳是高電平有效、使能/欠壓檢測輸入，可以通過連接到地來禁用調(diào)節(jié)器輸出，也可以連接到VIN實現(xiàn)始終開啟的操作，還可以通過電阻分壓器來編程設(shè)備開啟的輸入電壓；VCC引腳是內(nèi)部LDO的電源輸出，需要用一個至少1μF的電容旁路到地等。了解這些引腳的功能和使用方法，對于正確連接和使用該轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

6. 工作原理與模式

6.1 DC - DC開關(guān)穩(wěn)壓器

MAX17570采用內(nèi)部補償、固定頻率、電流模式控制方案。在內(nèi)部時鐘的上升沿，高端pMOSFET開啟，內(nèi)部誤差放大器將反饋電壓與固定的內(nèi)部參考電壓進行比較，生成誤差電壓。該誤差電壓與電流檢測電壓和斜率補償電壓的總和由PWM比較器進行比較，以確定導(dǎo)通時間。在pMOSFET導(dǎo)通期間，電感電流上升；在開關(guān)周期的其余時間（關(guān)斷時間），pMOSFET關(guān)閉，低端nMOSFET開啟，電感釋放存儲的能量，電感電流下降，為輸出提供電流。在過載條件下，逐周期電流限制功能通過關(guān)閉高端pMOSFET并開啟低端nMOSFET來限制電感峰值電流。

6.2 開關(guān)頻率與時鐘同步

開關(guān)頻率可以通過連接在RT/SYNC引腳到地的電阻在200kHz至1MHz之間進行編程。計算公式為： [R{RT / SYNC}=frac{375}{frac{16400}{f{sw}}-2.1}] 其中，(R{RT / SYNC})的單位為kΩ，(f{SW})的單位為kHz。如果RT/SYNC引腳懸空，默認開關(guān)頻率為400kHz。對于MAX17570A/B/C，RT/SYNC引腳還可以用于將設(shè)備的內(nèi)部振蕩器與外部時鐘同步，但SYNC功能在PFM部分（MAX17570D/E/F）不可用。外部時鐘頻率必須在1.1 x (f{SW})至1.4 x (f{SW})之間，脈沖寬度應(yīng)大于100ns，占空比范圍為10%至90%。

6.3 內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器

內(nèi)部穩(wěn)壓器為內(nèi)部功能和功率MOSFET提供標稱5V的電源。線性穩(wěn)壓器的輸出（VCC）需要用一個1μF的電容旁路到地，其壓降典型值為150mV。當VCC低于3.8V（典型值）時，欠壓鎖定電路會禁用DC - DC同步轉(zhuǎn)換器，約400mV的VCC UVLO遲滯可以防止上電和掉電時的抖動。

6.4 使能輸入與軟啟動

當EN/UVLO電壓高于1.215V（典型值）時，設(shè)備的內(nèi)部誤差放大器參考電壓開始上升。軟啟動斜坡的持續(xù)時間為編程開關(guān)頻率一半時的512個周期，使輸出電壓能夠平穩(wěn)上升。軟啟動時間與開關(guān)頻率的關(guān)系為： [SS Time =frac{1024}{f{sw}}] 其中，SS Time的單位為msec，(f{SW})的單位為kHz。將EN/UVLO拉低可以禁用兩個功率MOSFET以及其他內(nèi)部電路，將VIN靜態(tài)電流降低到2.2μA以下。EN/UVLO還可以用作輸入電壓UVLO調(diào)整輸入，通過外部分壓器可以調(diào)整設(shè)備開啟或關(guān)閉的輸入電壓。

6.5 復(fù)位輸出

設(shè)備包含一個開漏RESET輸出，用于監(jiān)控輸出電壓。當輸出電壓上升到其標稱設(shè)定值的95%以上時，RESET在編程開關(guān)頻率下經(jīng)過1024個周期后變?yōu)楦咦杩?；當輸出電壓下降到設(shè)定標稱調(diào)節(jié)電壓的92%以下時，RESET拉低。在打嗝超時期間，RESET也會拉低。

6.6 預(yù)偏置輸出啟動

該設(shè)備能夠在不放電輸出電容的情況下軟啟動到預(yù)偏置輸出，這在為具有多個軌的數(shù)字集成電路供電的應(yīng)用中非常有用。

6.7 工作輸入電壓范圍

最大工作輸入電壓由最小可控導(dǎo)通時間決定，最小工作輸入電壓由最大占空比和電路電壓降決定。計算公式如下： [V{INMIN }=frac{V{OUT }+left(I{OUT(MAX) } timesleft(R{DCR(MAX)}+R{DS-ONL(MAX)}right)right)}{1-f{SW(MAX)} × t{OFF-MIN(MAX)}}+I{OUT} timesleft(R{DS-ONH(MAX)}-R{DS-ONL(MAX)}right)] [V{INMAX }=frac{V{OUT }}{t{ON-MIN(MAX) } × f{SW(MAX)}}] 其中，(V{OUT })為穩(wěn)態(tài)輸出電壓，(I{OUT(MAX)})為最大負載電流，(R{DCR(MAX)})為電感的直流電阻，(f{SW(MAX)})為最大開關(guān)頻率，(t{OFF-MIN(MAX)})為最壞情況下的最小可控開關(guān)關(guān)斷時間（145ns），(t{ON-MIN(MAX)})為最壞情況下的最小可控開關(guān)導(dǎo)通時間（130ns），(R{DS-ONH(MAX)})為高端內(nèi)部MOSFET的最壞情況下的導(dǎo)通電阻，(R{DS-ONL(MAX)})為低端內(nèi)部MOSFET的最壞情況下的導(dǎo)通電阻。

6.8 過流保護與打嗝模式

設(shè)備具有強大的過流保護方案，能夠在過載和輸出短路條件下保護設(shè)備。逐周期峰值電流限制在高端開關(guān)電流超過內(nèi)部限制（典型值為0.56A）時關(guān)閉高端MOSFET。高端開關(guān)電流的失控電流限制（典型值為0.66A）在高輸入電壓和短路條件下保護設(shè)備。一次失控電流限制觸發(fā)會啟動打嗝模式。此外，如果在軟啟動完成后的任何時間，由于故障條件導(dǎo)致輸出電壓下降到其標稱值的65%（典型值），也會觸發(fā)打嗝模式。在打嗝模式下，轉(zhuǎn)換器通過暫停開關(guān)操作一個打嗝超時周期（編程開關(guān)頻率一半時的32768個周期）來保護自己。打嗝超時周期結(jié)束后，會再次嘗試軟啟動。打嗝模式的操作確保了在輸出短路條件下的低功耗。

6.9 熱過載保護

熱過載保護限制了設(shè)備的總功耗。當結(jié)溫超過166°C時，片上熱傳感器會關(guān)閉設(shè)備，關(guān)閉內(nèi)部功率MOSFET，使設(shè)備冷卻。當結(jié)溫下降20°C后，熱傳感器會再次開啟設(shè)備。

7. 應(yīng)用信息

7.1 電感選擇

應(yīng)選擇具有盡可能低的直流電阻且適合指定尺寸的低損耗電感。飽和電流（ISAT）必須足夠高，以確保在最大電流限制值以下不會發(fā)生飽和。所需電感值可以通過以下公式計算： [L=3.7 × frac{V{OUT }}{f{SW}}] 其中，(V{OUT })為輸出電壓，(f{SW})為開關(guān)頻率（單位為Hz），L為電感值（單位為H）。常見的鐵芯材料有鐵氧體和粉末鐵，鐵氧體鐵芯具有低鐵芯損耗，適用于高效設(shè)計；粉末鐵鐵芯的鐵芯損耗較大，但價格相對較低。

7.2 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

設(shè)備提供可調(diào)的輸入欠壓鎖定電平，可以通過連接從(V{IN })到地的電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的電壓。將分壓器的中心節(jié)點連接到EN/UVLO，選擇R1最大為3.3MΩ，然后根據(jù)以下公式計算R2： [R 2=frac{R 1 × 1.215}{V{INU}-1.215}] 其中，(V_{INU})是設(shè)備需要開啟的電壓。如果EN/UVLO引腳由外部信號源驅(qū)動，建議在信號源輸出和EN/UVLO引腳之間放置一個至少1kΩ的串聯(lián)電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

7.3 輸入電容

輸入濾波電容可以減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的RMS電流要求（IRMS）定義如下： [I{RMS}=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN}}] [C{IN}=I{OUT(MAX) } × D × frac{1-D}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}] 其中，(D = V{OUT } / V{IN })是轉(zhuǎn)換器的占空比，(f{SW})是開關(guān)頻率（單位為Hz），(Delta V{IN})是允許的輸入電壓紋波，(eta)是效率。在電源與設(shè)備輸入距離較遠的應(yīng)用中，應(yīng)在陶瓷電容上并聯(lián)一個電解電容，以提供必要的阻尼，防止由較長輸入電源路徑的電感和輸入陶瓷電容引起的潛在振蕩。

7.4 輸出電容

對于該設(shè)備，推薦使用小型陶瓷X7R級電容。輸出電容有兩個作用：一是與輸出電感一起過濾設(shè)備產(chǎn)生的方波；二是在負載瞬態(tài)條件下存儲足夠的能量以支持輸出電壓，并穩(wěn)定設(shè)備的內(nèi)部控制環(huán)路。通常，輸出電容的大小應(yīng)能夠支持應(yīng)用中最大輸出電流的33%的階躍負載，使輸出電壓偏差小于3%。所需輸出電容可以通過以下公式計算： [C{OUT }=frac{1.16}{ V{OUT } × f{C}}] 其中，(C{OUT })為輸出電容（單位為F），(V{OUT })為輸出電壓，(f{C})為所需的交叉頻率（單位為Hz），(f_{C})應(yīng)選擇為開關(guān)頻率的1/12和50kHz中的較低值。在選擇輸出電容時，必須考慮陶瓷電容在適當交流電壓（等于穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波）下的直流電壓降額。

7.5 調(diào)整輸出電壓

MAX17570C/F的輸出電壓可以在0.9V至0.97 x (V{IN})之間進行編程。通過連接從輸出到FB到地的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓。對于輸出電壓小于6V的情況，選擇R6在50kΩ至150kΩ范圍內(nèi)；對于輸出電壓大于6V的情況，選擇R6在25kΩ至75kΩ范圍內(nèi)，并根據(jù)以下公式計算R5： [R 5=R 6left[frac{V{OUT }}{0.9}-1right]]

7.6 功率損耗

在特定的工作條件下，導(dǎo)致器件溫度升高的功率損耗可以通過以下公式估算： [P{Loss }=left[P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right]-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right)] [P{OUT }=V{OUT } × I{OUT }] 其中，(P{OUT })為輸出功率，(eta)為轉(zhuǎn)換器的效率，(R{DCR})為電感的直流電阻，(V{OUT })為輸出電壓，(I{OUT })為輸出電流。器件的結(jié)溫（(T{J})）可以在任何環(huán)境溫度（(T{A})）下通過以下公式估算： [T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right)] 其中，(theta{JA})是封裝的結(jié)到環(huán)境的熱阻抗。結(jié)溫超過 + 125°C會降低工作壽命。

7.7 PCB布局指南

精心的PCB布局對于實現(xiàn)干凈、穩(wěn)定的操作至關(guān)重要，特別是開關(guān)功率級需要特別注意。以下是一些良好的PCB布局指南：

• 將輸入陶瓷電容盡可能靠近VIN和GND引腳放置。
• 用最短的走線或接地平面將VCC旁路電容的負極連接到GND引腳。
• 最小化LX引腳和電感連接形成的面積，以減少輻射EMI。
• 將VCC去耦電容盡可能靠近VCC引腳放置。
• 確保所有反饋連接短而直接。
• 將高速開關(guān)節(jié)點（LX）遠離VOUT/FB、RESET和RT引腳布線。

8. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，包括3.3V固定輸出、5V固定輸出、12V可調(diào)輸出、5V固定輸出（1MHz開關(guān)頻率）和1.8V可調(diào)輸出（200kHz開關(guān)頻率）等不同情況，并詳細列出了每個電路中所需的元件參數(shù)，如電感、電容的型號和值等，為工程師提供了實際應(yīng)用的參考。

9. 訂購信息

MAX17570有多種型號可供選擇，不同型號的溫度范圍均為 - 40°C至 + 125°C，采用8引腳2mm x 2mm的TDFN封裝，輸出電壓有3.3V、5V和可調(diào)等多種選項，工作模式分為PWM和PFM兩種。其中，“+”表示無鉛/符合RoHS標準的封裝，“T”表示帶盤包裝。

綜上所述，MAX17570同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器以其豐富的功能、出色的性能和高靈活性，為電子工程師在電源設(shè)計方面提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是在工廠自動化、汽車售后市場還是其他通用負載點應(yīng)用中，都能夠發(fā)揮出其獨特的優(yōu)勢。在實際設(shè)計過程中，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，結(jié)合上述介紹的各項特性和參數(shù)，合理選擇和使用該轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。